让数据科学家代替DJ？Python帮你实现

数据科学是一门庞大的学科，它不断地扩展到新的行业，音乐产业就是其中之一。如果把这些应用程序当作一个“黑匣子”，可以观察到它的输入(数据)和输出(产品)。该项目旨在使用Python操作Spotify音乐数据，其范围有两个：

• 证明API(应用程序编程接口)的存在对于向算法提供超精细数据具有重要意义。
• 演示简单的统计数据(适当应用时)如何对日常行为进行编码，将其分解为基本要素，并在其基础上构建有价值的产品。

这个故事，最开始是为了调查音乐背后的统计数据，最后发现方程式背后也有“音乐”……

概念

假设一个情景。作为一名数据科学家，笔者工作的数据公司(Data Corp)记录了青年营销部门获得的可观利润，因此公司决定举办聚会犒劳年轻的客户。

在没有DJ的情况下，主管让笔者负责音乐，让派对持续到早上!她给了笔者一些Spotify播放列表，让笔者最终选定并创建一个。然而，忽视现代音乐趋势让笔者遇到一个棘手的问题。

使用Python访问所有播放列表，提取每个曲目的每个音频特征进行统计分析，并将最适合(派对)的曲目包装到最终的播放列表中，如何?当然，这里有一个技术性的问题：一个节拍也听不到!

为了更好地传达结果，假定：

#1：个人Spotify播放列表代表的是公司给笔者的。

#2：该聚会的目标群体是18至30岁的年轻人，这意味着……跳舞!然而，他们中的许多人可能会有家人陪伴，也就是说，一小部分客人会更好地享受到欢快的音乐。

#3：在音频特性中，Spotify只考虑了 danceability, energy, tempo, loudness & valence (见第2节)。那是因为，它们能更好地表达一首曲子是否适合一个舞会。

#4：改进所选播放列表的方法有两种：删除或添加分别被视为“坏”或“好”(涉及一个或多个音频特征)的曲目。笔者只采用后者，以扩大最终的播放列表。

笔者打算按下面的步骤来做：

• 设置运行代码的环境。
• 请求Spotify API获取所有相关音乐数据并提供简要说明。
• 使用Numpy、Pandas和一些附加的Python库执行EDA(探索性数据分析)，以数字和可视化的方式探索候选播放列表。
• 选择-使用两种统计技术优化最合适的播放列表。

一、设置

在本节中，设置所需的环境，以便应用分析技术。如果已经准备好下面列出的任何部分，可以跳过它们。

• 申请Spotify开发者帐户并创建应用程序。[在此过程中，将创建一个客户ID，并为应用程序提供一个客户机密]。
• 安装Jupyter Notebook-一个开源的web应用程序，用于创建/共享包含实时代码、方程式、可视化和叙述性文本的文档。
• 安装Spotipy-用于访问Spotify Web API和请求的轻量级Python库-用于寻址API的Python模块。可以使用CLI(命令行界面)或Jupyter notebook来运行以下命令：

pip install spotipy 
             pipinstall requests 

install.py

• 导入必要的库：

# Import the libraries 
       import os 
       import pandas as pd 
       import numpy as np 
       import json 
       importmatplotlib.pyplot as plt 
       import seaborn as sns 
       import spotipy 
       importspotipy.util as util 
       fromspotipy.oauth2 importSpotifyClientCredentials 

• 执行授权代码流：

# Declare the credentials 
         cid ='XXXX' 
         secret ='XXXX' 
         redirect_uri='http://localhost:7777/callback' 
         username ='XXXX' 
        # Authorization flow 
         scope ='user-top-read' 
         token = util.prompt_for_user_token(username, scope, client_id=cid,client_secret=secret, redirect_uri=redirect_uri) 
        if token: 
             sp = spotipy.Spotify(auth=token) 
         else: 
             print("Can'tget token for", username)auth.py 

请注意，与其通过笔记本直接声明凭证，还不如通过相应地设置环境变量，使它们暂时可用：

export SPOTIPY_CLIENT_ID="XXXX" 
                      exportSPOTIPY_CLIENT_SECRET="XXXX" 
              exportSPOTIPY_REDIRECT_URI="http://localhost:7777/callback" 

二、数据解释与获取

Spotify为其开发人员提供了许多表征音轨的音频特征(有关音频特性对象的更全面的解释，请参见此处)。下面列出要使用的特征，并简要说明：

• Loudness：[-60.0-0db]描述了音轨的整体响度，或者说，声音的质量，这是与体力(振幅)相关的主要心理因素。
• Energy：[0.0-1.0]描述了对活动和强度的感性测量。充满活力的音轨让人感觉快速、响亮和嘈杂。
• Valence：[0.0-1.0]描述音轨听起来“积极”的程度。高价意味着更积极的声音(如欢快、欢快等)。
• Tempo：以BPM为单位描述音轨的总体估计节奏(每分钟节拍)，直接从节拍平均的持续时间得出。
• Danceability：[0.0-1.0]根据音乐元素(节奏、稳定性、节拍强度等)的组合，描述一个轨道是否适合跳舞。低值意味着较少的舞步。

数据提取部分分三步完成：访问用户播放列表;提取每个播放列表的曲目;提取每个曲目的音频特征。对于每个步骤，创建一个函数，实现相应的Spotipy方法。

(a)访问用户的播放列表

deffetch_playlists(sp,username): 
                     """ 
                     Returns theuser's playlists. 
                    """ 
                     id = [] 
                     name = [] 
                     num_tracks = [] 
                     #Make the API request 
                     playlists = sp.user_playlists(username) 
                     for playlist in playlists['items']: 
                         id.append(playlist['id']) 
                         name.append(playlist['name']) 
                         num_tracks.append(playlist['tracks']['total']) 
                  # Create the final df   
                     df_playlists = pd.DataFrame({"id":id, "name":name, "#tracks": num_tracks}) 
                     return df_playlists 
              playlists =fetch_playlists(sp,username) 
                 playlists= playlists[:4].copy() 
                 playlists 

fetch_plst.py

此函数返回一个数据帧，其中包含用户播放列表的id、name和曲目数#tracks。显然，有4个候选播放列表：

playlists 数据帧

(b) 获取播放列表的曲目

deffetch_playlist_tracks(sp, username, playlist_id): 
                           """ 
                           Returns thetracks for the given playlist. 
                          """ 
                           offset =0 
                           tracks = [] 
                           #Make the API request 
                           whileTrue: 
                               content = sp.user_playlist_tracks(username, playlist_id, fields=None, limit=100, offset=offset,market=None) 
                               tracks += content['items'] 
                               if content['next'] isnotNone: 
                                   offset +=100 
                               else: 
                                   break 
                                   track_id = [] 
                           track_name = [] 
                           for track in tracks: 
                               track_id.append(track['track']['id']) 
                               track_name.append(track['track']['name']) 
                           #Create the final df 
                           df_playlists_tracks = pd.DataFrame({"track_id":track_id, "track_name": track_name}) 
                           return df_playlists_tracks 

fetch_trcs.py

这个函数以playlist_id作为参数，返回一个数据帧，包括每个曲目的曲目 track_id 和 track_name 。不直接调用它，而是在下面的函数中使用它。

(c) 获取曲目的音频特征

deffetch_audio_features(sp, username, playlist_id): 
                          """ 
                          Returns theselected audio features of every track, 
                          for the givenplaylist. 
                         """ 
                          # Usethe fetch_playlist_tracks function to fetch all of the tracks 
                          playlist =fetch_playlist_tracks(sp, username, playlist_id) 
                          index =0 
                          audio_features = [] 
                          #Make the API request 
                          while index < playlist.shape[0]: 
                              audio_features += sp.audio_features(playlist.iloc[index:index+50, 0]) 
                              index +=50 
                          #Append the audio features in a list 
                          features_list = [] 
                          for features in audio_features: 
                              features_list.append([features['danceability'], 
                                                    features['energy'],features['tempo'], 
                                                    features['loudness'],features['valence']]) 
                          df_audio_features = pd.DataFrame(features_list,columns=['danceability', 'energy', 
                                             'tempo', 'loudness', 'valence']) 
                       # Set the 'tempo' & 'loudness' in the same range withthe rest features 
                          for feature in df_audio_features.columns: 
                              if feature =='tempo'or feature =='loudness': 
                                  continue 
                              df_audio_features[feature] =df_audio_features[feature] *100 
                          #Create the final df, using the 'track_id' as index for future reference 
                          df_playlist_audio_features = pd.concat([playlist,df_audio_features], axis=1) 
                          df_playlist_audio_features.set_index('track_id', inplace=True, drop=True) 
                          return df_playlist_audio_features 

fetch_aud_ftrs.py

给定 playlist_id 作为参数，此函数返回每个曲目的 track_id, name 和音频特征(danceability, energy, tempo, loudness, valence)。因此，对于4个播放列表中的每一个，创建相应音频特征的数据帧：

df_dinner =fetch_audio_features(sp, username, '37SqXO5bm81JmGCiuhin0L') 
                       df_party=fetch_audio_features(sp, username, '2m75Xwwn4YqhwsxHH7Qc9W') 
                       df_lounge=fetch_audio_features(sp, username, '6Jbi3Y7ZNNgSrPaZF4DpUp') 
                       df_pop=fetch_audio_features(sp, username, '3u2nUYNuI08yUg877JE5FI') 

aud_ftrs.py

df_dinner 数据框示例

仅仅借助API的力量就获得了所有必要数据的纯编码!

三、EDA

为了减少混乱，这里不包括数据可视化代码，但它可以在GitHub repo上使用。

首先，在一个图中描绘所有播放列表的音频特征，以便容易地感知哪个最适合聚会。

音频特征水平条形图

显然，把特征作为整体来看，Party和Pop播放列表取代了另外两个。仔细看看这两个，就能更清楚地了解哪一个占上风…

df_party 和df_pop水平横条图

除了danceability特征外，其他特征在派对播放列表中更高。这是一个必须选择和建立，以完善最终的播放列表。

四、播放列表的优化

其主要作用是尽可能增加派对播放列表的音频特征。但是，增加一个特征可能会减少另一个特性，因此必须考虑优先级。就笔者个人而言，根据假设2，danceability(年轻人)应该是主要特征，下一个特征是valence(家庭成员)。

这些变量是定量的，同时也属于比率尺度的测量。因此，箱线图可以有效地描述每个特征的个体分布。这样的图表和描述性统计表(通过pandas.DataFrame.describe方法)可以提供关于每个特定四分位数下的值的比例的良好视觉展示。

下面将详细说明原始的df_party数据框，突出显示danceability和valence平均值、第二(中位数)和第三个四分位数：

df_party数据的描述性统计和箱线图

竖直的黄线是中位数，而▴符号代表平均数。一般的目标是“推动”每一个特征的分布尽可能地向右，也就是说，沿着播放列表曲目方向增加，以便获得一个更好的“聚会”体验!根据假设4，从df_pop(第二个决赛播放列表)中添加曲目，每次都寻找机会：

• 将平均值向右移动(增加平均音频特征)
• 或将中位数移到平均值的右侧(确保至少50%的歌曲高于平均值)
• 或两者兼而有之

方法一

一个好的出发点是，抽取一个df_pop的样本，并将其添加到主样本(df_party)中，随机的除外。通过使用pandas.DataFrame.sample()函数和weights参数，可以预先配置danceability值越大，就越有可能对相应的行进行采样。这种方法产生的数据框是df_party_exp_I(exp代表expanded)。

# Take a sample from the Pop playlist 
      df_pop_sample_I= df_pop.sample(n=40, weights='danceability',random_state=1) 
      df_pop_sample_I.describe() 
     # Concatenate the original playlist with the sample 
      df_party_exp_I= pd.concat([df_party, df_pop_sample_I]) 
      df_party_exp_I.describe() 

sample_I.py

df_party_exp_I描述性统计和方框图

• 主要音频特征danceability增加;平均值上升近0.5，其分布也略有优化。中位数从68.20移到69.30，第三(上)四分位数分别从77.20移到78.90。
• 但是， valence特征下降了0.61，四分位都没有向右移动。鉴于此，应该寻找进一步的优化机会。

方法二

这一次将利用NumPy布尔索引并过滤Pop播放列表，以便只返回满足指定条件的行。特别是，将danceability和valence特征设置为高于派对播放列表的相应平均值，分别为69.55和51.89。

# Take a sample from the Pop playlist 
       df_pop_sample_II= df_pop[(df_pop['danceability'] >69.55) & (df_pop['valence'] >51.89)].copy() 
      # Concatenate the original playlist with the sample 
       df_party_exp_II= pd.concat([df_party, df_pop_sample_II]) 
       df_party_exp_II.describe() 

sample_II.py

df_party_exp_II描述性统计和方框图

• danceability增加更多。这次平均值增加了将近2.17!随着中位数和上四分位数向右移动，沿着该功能的曲目分布也得到了优化，这基本上意味着至少50%的播放列表高于主要声学功能的“新”较高平均值(71.71)。
• 尽管如此，valence特征下降了4.21，第二和第三个四分位数均高于平均值。

方法三

一个特征的优化并不一定意味着其他特征的优化。为了改善这一缺点，将引入一个方程，其变量是声学特征，参数是赋予它们的权重。既然非常重视danceability特征，那么相应的权重应该更高。最后分数计算如下：

Score =(danceability *30)+(energy *20)+(tempo *20)+(loudness *10)+(valence *20)

为播放列表的每个单曲计算这个分数(创建一个新的列score)，然后计算各自的描述性统计。这样，可以更好地评估，丰富df_party，同时在每个特征上实现更统一(根据权重)的优化。

简言之，df_party, df_party_exp_I & df_party_exp_II的平均score分别为7355分、7215分和7416分。很明显，虽然方法一相比原来的播放列表找到了更好的danceability，但它破坏了派对的整体体验(平均score从7355下降到7215)。就方法二而言，平均score提高了近62分。然而，也可以不用这两种方法…

这一次，通过使用新引入的score列，将过滤df_pop数据帧，并获取注意到score高于df_party平均值的行。因此，增加后者!

# Take a sample from the Pop playlist 
      df_pop_sample_III= df_pop[df_pop['score'] > df_party['score'].mean()].copy() 
     # Concatenate the original playlist with the sample 
      df_party_exp_III= pd.concat([df_party, df_pop_sample_III]) 
      df_party_exp_III.describe() 

sample_III.py

df_party_exp_III描述性统计和方框图

事实上，这次：

• danceability特征提高了近1.17，valence增加了4.06(平均值的右移)
• 两种分布都得到改善(中位数移到平均值的右侧)
• score为122.3，是目前为止最好的!(上下文意味着更高的潜力，播放列表在加权音频特征上更加统一)

作为一个完整的检查，应该一次性描述和比较所有的方块图—这可能看起来有点拥挤。幸运的是，变量的性质(见上文)允许使用KDE(内核密度图)。

KDE图

现在非常清楚了，方法三(绿色分布)是最好的，因为它实现了更高的右移。

最后，最终得到的数据帧(df_party_exp_III)包含了最终的音轨。唯一悬而未决的操作是将其转换为真正的播放列表。下面，第一个函数创建最终的播放列表，将其名称作为参数以及描述。另一个，从数据帧迁移轨迹。

请注意，授权流将再次运行，这次将使用不同的作用域(playlist modify public)。只需查看指南就好(https://github.com/makispl/Spotify-Data-Analysis/blob/master/README.md)。

defcreate_playlist(sp,username, playlist_name, playlist_description): 
                        playlists = sp.user_playlist_create(username, playlist_name, description =playlist_description) 
  
create_plst.py 
  
defenrich_playlist(sp,username, playlist_id, playlist_tracks): 
                     index =0 
                     results = [] 
                     while index <len(playlist_tracks): 
                         results += sp.user_playlist_add_tracks(username, playlist_id, tracks =playlist_tracks[index:index +100]) 
                         index +=100 

enrich_plst.py

# Make a temporary list of tracks 
       list_track =df_party_exp_III.index 
      # Create the playlist 
       enrich_playlist(sp,username, '779Uv1K6LcYiiWxblSDjx7', list_track) 

create_plst.py

播放列表数据帧

Bingo!

结论

到目前为止，已经处理了数百首曲目，检查了它们的音频特征，最后选择了最适合聚会的曲目，只用到了Python。通过这种方式，成功地完成了任务：

• 演示了简单(描述性)的统计数据和编码(如果适当组合)是如何计算出此类耗时的活动的。
• “尝到”了拥有可请求的API的重要性，以便提取有意义的数据。

无论是从DJ还是从数据科学家的角度“深入”音乐世界，这无疑都是美妙的……

但是，有效地，当涉及到大量音乐数据集的精确性、敏捷性和彻底处理时，后者可以通过几行代码来指示计算机体面地执行。也就是说，有一件事是必然的：